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抖动测试就像盲人摸象  2009-06-24 11:55
作为可编程器件之一的FPGA,虽然工作频率还远低于CPU,但却拥有最高速的串行I/O。Altera的Stratix是业界发布的第一块采用40nm工艺的FPGA,代工厂商台积电,藉此台积电也成为首家实现40nm工艺的厂商,甚至超越了一贯在制程上领先的Intel(Intel现在的主流是45nm)。由于Stratix集成了最高达11.3Gbps的收发器,测试FPGA本身的性能,尤其是抖动测试成为挑战。

当Altera开始开发40nm的FPGA Stratix IV时,公司的工程师面临着诸多令人畏惧的设计和测试前沿挑战。他们和台积电共同努力完善40nm整个制造工艺,开发可供用户使用这些器件的软件和IP。



李博士,Altera 首席架构师和优秀工程师,解释器件级的抖动必须持续减少以满足10–12 BER


李博士,Alterat的首席架构师和优秀工程师,推动40nm工艺继续沿着摩尔定律以便将更多的逻辑单元,存储器,和接口集成到每个芯片中。李解释说:“我们按照摩尔定律指出的那样在Stratix IV上显著地增加了晶体管的密度,高密度减少了晶体管的单位价格,允许我们在同样大的晶圆面积上增加更多的功能和容量。

但是随着每个芯片上晶体管数目的增加,随着FPGA服务延伸到更高性能的应用,例如Packet和Frame开关,我们需要增加Stratix IV的带宽,以便数据快速的出入器件。”
为了实现这个,Altera必须支持客户可能会选用的不同的高速I/O接口,包括各代PCIE(1.1和2.0),SATA/SAS(3Gbps和6Gbps), Fibre Channel(2.125Gbps,4.25Gbps,8.5Gbps),40/100G以太网,CEI/OIF(6G和11G),XFI(10G),和SFI/SFP+。“我们必须设计整个硬件协议栈使Stratix IV支持所有不同的标准”。


意料之中,那些Altera负责测试的工程师成为幕后英雄,错过了设计团队的荣誉。然而无论如何,他们的努力是非常重要的,新一代工艺的高速串行I/O线的量产推动速率达到那些商业测试仪器处理的极限。

信号完整性

李强调高速I/O设计随着速率的提升越来越成为挑战。“标准要求在物理层达到
10–12误码率”,他说“那要

求更严格的和提供显著地UI边界,这意味着器件级的抖动必须持续缩小。”

李还指出在过去的8年时间里,随着晶体管变得不再昂贵,“通信工业选择将钱砸在半导体上”,以便获得更高的速度,这甚至超过了线缆或PCB材料在通信通道的裕量。他陈述道,“今天的半导体通过在发射器端预加重和前向错误校正和在接收机端采用均衡来补偿通道中的环境改变。甚至,一些客户想提高误码率到
10–15 10–17的以便不再使用前向错误校正,从而显著地减少功耗。” 

根据李的说法,一个方法是提高裕量使得发射机的抖动最小化。该抖动的一个主要来源,他说,是产生时钟信号的RO锁相环中的VCO。这个RO锁相环方法,他说,是有用的,因为它可以提供客户在可编程频率方面的极大灵活性。但是RO锁相环被相噪限制,也可以翻译成随机噪声。为了避免这个,Altera在Startix IV上提供了LC-based振荡器,用于高性能锁相环,相对于RO 锁相环而言可以提供更低的噪声和抖动。
 

供电完整性


除了应对信号完整性的挑战,我们还关注功耗完整性”Bozidar Krsnik,Altera测试团队的经理说“客户要求低功耗”,他说“通过创新的可编程功耗技术,我们的Stratix III成为最小FPGA功耗的的领导者,而Stratix IV的推出使我们加强了领导地位。超过一年,我们开发了专门的需要去分析和量化电源表现和电源衰减的影响。”

 

另外除了应对信号完整性的的挑战,我们也将注意力放在功率完整性方面”,Bozidar Krsnik说,Altera 测试团队的经理。“客户要求低功耗。”


Krsnik补充道“功耗的挑战对于FPGA是如此显著”不同于ASIC“客户可以用FPGA做他们想做的任何事,他们可能会创建一些非常少见的涉及电压级别,时钟频率,和器件编程方式的最坏情况,”,那要求Altera的工程师提前分析客户会做什么。
 

测量

测试的具体任务落在了Daniel周的身上,一个自从2003年就加入到Altera技术团队的高级技术人员。周领导团队量化Startix  IV串行总线收发器的供电完整性和信号完整性,在抖动测量中采用加重。


Daniel 周,Alterat的高级技术成员,领导一个团队测试Stratix IV串行总线收发器的功率和信号完整性。


为了量化高速串行收发器,Altera的工程师设计7种量化板,有了这些板子,工程师连接了FPGA的所有引脚,包括要求为子系统中的每个器件供电的引脚。

一些功能,尤其是供电完整性,不止一块板子有引脚,因为供电会影响器件的各个方面。并且,如果周不相信一块板子获得的测量结果,他可以换另一个板重复测试。

一块量化板,包括为FPGA核,I/O信号,锁相环,差分时钟,高速串行收发器提供一个供电分布网络的供电完整性。图1显示了一块用于功耗完整性和收发器信号完整性的量化板。


Figure 1. A Stratix IV signal-integrity characterization board contains SMA connectors that provide access to an FPGA’s high-speed I/O ports.

图2 显示了一个典型的测试I/O号端口信号完整性和供电完整性的装置。测试仪器例如信号源和示波器连接到Stratix IV量化板,以提供激励和测试能力。


Figure 2.  This typical test setup shows the instruments used to test I/O port signal integrity and power integrity on the Stratix IV. A characterization board provides engineers with access to the Stratix IV and its transceivers. Courtesy of Altera.

周解释为何每一块量化板需要不同的供电分布网络供给每一个FPGA功能:“根据客户的应用和要求,一个FPGA也许会为了获得优化的性能而将电源层和其他FPGA隔离,但是那并不总是经济可行的。我们必须建议将FPGA模块共享电源的用户。我们想知道公共的电源对信号完整性有多大影响。”

设计Stratix IV的工程师也许需要隔离器件收发器缓冲器和PLL的电源“如果板上有更多电源的话你不能总是共享电源。”周强调“电源配置强烈的依赖用户应用和要求,发现不同电源配置的性能折中真实我们的工作。”

周和其他队员量化了使用分离电源和公共电源收发器。从他们的测试中,他们看到了公共电源是如何影响信号完整性的。举个例子,发射器或者接收器时钟电源被拉低越多会增加更多的发射信号抖动.

and they also tested the Stratix IV across a wide temperature range and across semiconductor process corners.

Altera 的工程师也量化了在超过建议客户使用电压范围外多得多的电压处的Stratix IV器件。在发布推荐电压范围1.15~1.25V之前,他们在0.9~1.4V测试了收发器,而且他们还测试了在大的温度范围和半导体工艺节点内的Startix IV。

Engineers use the SMA connectors with the shortest traces to test the transceivers under electrically quiet conditi
I/Os, 

信号完整性在串行链路中是首要的,Altera 信号完整性量化板采用了工程师能找到的最好的PCB材料和SMA连接头。为什么?因为他们必须将走线和连接头所带来的插损和抖动减到最小,得到的器件自身的典型特性。注意图1中SMA接头到FPGA的不同距离。为了减少了信号的劣化,工程师在电气静默的环境下使用SMA接头和最短的走线测试收发器。


在静默环境中的测试使得Altera工程师了解到器件的性能,但是这没有提供真实世界的数据表现,用户使用器件的核,逻辑,I/O部分是如何影响收发器的性能,尤其是高速数据速率。因此Altera工程师必须量化不同运行配置下的器件。

公司的量化工程师并不简单地从每一个门和I/O引脚测试做起。那是不切实际的,因为没有用户会使用FPGA中的每一个晶体管。“我们的每个客户都将FPGA用作不同用途”周强调说“所以,我们从客户那里获得同样的设计和学习他们是如何使用我们的器件的”一旦得知用户如何使用,Altera的工程师将模拟用户的应用,但不是正确的。

Altera工程师逐渐从静默环境测试转到一个实际的环境。他们会从一个收发器开始,当要查看未上电的FPGA核心逻辑电路和I/O引脚上的交调和抖动时会打开相邻的收发器。

在运行收发器以后,当要查看电压分布网络和信号完整性时工程师开始检测FPGA的I/O引脚。他们给核心和逻辑单元上电并检查收发器信号。每上电器件的一部分,他们会检查供电完整性,寻找那些会显著影响锁相环和信号抖动的噪声和电压降落。

对抖动研究和量化是周的工作重心。“十年前,我们是瞎的”,他说“我们不理解今天的抖动方法,不知道总体抖动Tj,随机抖动Rj,确定性抖动Dj,周期抖动Pj或者码间干扰ISI。Fibre channel和Xaui出现以后,我们开始理解抖动,Mike Peng Li是第一批当你说明误码率BER时认识到Tj是唯一相关因素的人之一。”

为了测量抖动,周和其他Altera的工程师使用了一系列仪器,比如Agilent,LeCroy,Tektronix的实时和采样示波器。在实验室,工程师也使用Agilent的频谱分析仪,以及来自Agilent和Synthesys误码率分析仪(J-BERT和BertScope)。

华为高速实验室看来也能跟Altera的实验室媲美。



周使用如此多的仪器是因为每种仪器都用不同的方法测量抖动。他引用盲人摸象的例子说明测量抖动时的挑战。“想象你是瞎的,你摸到了你试图找出正在摸到象的那一部分,如果你摸到鼻子,你也许会想那是一条蛇,如果你摸到了腿,也许会想这是一棵树,如果你摸到了耳朵,也许会想这是一把扇子。每种仪器让你看到抖动的一部分。”

他强调说示波器在时域测量抖动,频谱分析仪在频域,而误码率测试仪则是在数字域。周使用频谱分析仪去观察周期抖动Pj,因为这种抖动包含的频率成分很容易被仪器显示出来。他同样使用频谱仪去测试随机抖动Rj,因为它可以测量相位噪声并把结果转化为随机抖动Rj。频谱分析仪拥有一个低的噪底,可以低至-160dBm,周也喜欢通过一个特定的频段测试随机抖动Rj。

随机抖动Rj正在变得越来越小”,他解释说,诸如SFP和SFP+收发器模型规格接近大约800fs噪声.“对于Stratix IV器件,Rj客户典型的期望值在600fs到700fs之间。在实验室,我们能测量低至400fs的Rj。少数的仪器可以测试Rj到1Ps,实时示波器可以做到。”图3显示了Rj和Pj在采样示波器上的情况,Rj=566 fs。


Figure 3.  At 10.3 Gbps, a Stratix IV serial I/O port achieves RJ (random jitter) of 566 fs. Courtesy of Altera.

周用实时或采样示波器来测量Dj,Rj,Pj和ISI。用误码率测试仪测试在
10–12 BER下的Tj 。如果所有的抖动测试都正确的完成了,抖动分量应该约等于Tj。

周承认,有时候,抖动分量加起来不等于Tj。“这些不一致有时候是由于仪器,这就是为什么我们必须理解每种仪器是如何得到抖动结果的,包括硬件限制,软件执行,算法和抖动理论。”周说“我们那么做是因为每种仪器看到了大象的不同部分。”当抖动分量相加不一致是,周和他的团队会检查他们的测量步骤,然后不得不使用不同的示波器或时钟恢复单元重新测试一遍。

周要改变示波器和重新做测量,因为数据率已增加到了8Gbps,10Gbps,和11.3Gbps,他得到每种速率的不同结果。他强调10年前他有同样的问题,但是随着时间流逝,示波器制造商已改进了他们的仪器使得数据速率达到5Gbps时抖动测试彼此之间的差异在10%以内。在高速率时,周已观察到了在制造商之间增长的差异。

周引用分歧的原因:更小的UIs,产生更小的抖动,快的上升和下降时间。“仪器制造商不断地告诉我们在我们的测试中需要更高的带宽”周说“一些人建议基于带宽应5倍于数据速率的定律,我们需要50GHz的采样示波器模块”,但是周怀疑他能否在他的示波器上真实地看到10Gbps的信号。那是因为PCB走线和连接头将会使得信号的转换时间变慢。“此外”,他强调,“仪器非常昂贵,我们的工作是找出哪些我们必须要测的指标和我们真正需要的设备。”

就算Altera有了最新的测试设备,客户却经常没有。客户会试着验证Stratix IV的规格,但他们缺乏合适的仪器。因此周和他的工程师不得不训练应用工程师如何正确的测量。他接到过客户使用缺乏足够低噪底的示波器来测量Stratix IV的低抖动的现场报告。客户抱怨说他们不能得到和Altera一样的抖动结果,应用工程师必须解释问题在于测试设备或者设置,而不是在于器件。


Altera的工程师正确的指出如何测试和量化Stratix IV FPGA,现在支持他们的客户使用其拥有先进器件串行I/O能力的标准和专利协议设计和测试通信产品。
类别:高频高速 |
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